介导微生物和宿主间信号传递的芳香烃受体AHR的结构和功能研究

The communication between microbiota and human host, is critical for maintaining their mutually beneficial relationship developed from the long-time co-evolution. The aryl hydrocarbon receptor (AHR), highly expressed in human barrier organs (e.g. skin, lung and gut), is a transcription factor regulated by ligands. By directly binding to microbiome-derived ligands, AHR can mediate the signal transduction between microbiota and host. The tryptophan metabolites (e.g. indole and tryptamine) produced by gut microbiota can change the transcription activity of AHR-ARNT (AHR nuclear translocator) heterodimer on their downstream genes, participating in the regulation of host immune homeostasis. This project aims to solve the crystal structures of multi-domain AHR-ARNT heterodimers, in complex with different ligands, especially those derived from gut microbiota. These structures will not only reveal the detailed mechanisms how ligands activate or inhibit AHR activity, providing useful information for future drug research plans (e.g. anti-inflammatory bowel disease) targeting AHR; but also reveal how the multiple domains of AHR and ARNT interact and form the heterodimer. In addition, this project plans to solve the crystal structure of AHR-ARNT-DNA complex, for better understanding how the heterodimer specifically recognizes the DNA sequence near their target genes.

微生物与人类宿主间的信号传递，对维持二者经漫长岁月共同进化而来的互利关系非常重要。广泛存在于人体屏障器官（如皮肤、肺和肠道）中的芳香烃受体（AHR），是一种可被配体调控的转录因子。通过直接结合微生物来源的配体，AHR可介导微生物与宿主间的信号传递。肠道微生物产生的色氨酸代谢产物（如吲哚、色胺等）可改变AHR-ARNT二聚体对下游基因的转录，参与调控宿主免疫平衡。本项目计划解析AHR-ARNT包含多个结构域的二聚体蛋白，与不同配体（尤其是肠道微生物来源的配体）形成的复合物晶体结构。这些结构不仅能揭示配体激活或抑制AHR活性的具体机理，为将来以AHR为靶点的药物研究（如炎症性肠病等）提供信息；还可以揭示AHR和ARNT两蛋白的多个结构域如何相互作用组成二聚体。此外，本项目还计划通过解析AHR-ARNT二聚体与DNA的复合物结构，了解二聚体蛋白如何特异性地识别下游基因的DNA序列。

芳香烃受体AHR（aryl hydrocarbon receptor）广泛存在于人体的皮肤、肺和肠道等屏障器官中，可作为人体与环境连接的桥梁，也是介导微生物与人类宿主间信号传递的关键受体之一。结合小分子配体后AHR蛋白由细胞质进入细胞核，与ARNT（aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator）形成异二聚体，通过识别基因组DNA特定的XRE（xenobiotic response element）序列调控下游基因转录。研究发现AHR活性过高与癌症、炎症等疾病相关，而转录活性不足与自身免疫病等疾病相关，因此AHR是重要的药物靶标。本项目利用生化和结构生物学等方法，探究不同配体调节AHR转录活性的分子机制，为以AHR为靶标的药物研究提供信息。通过改造AHR及ARNT的表达克隆、添加不同配体、改变蛋白缓冲溶液成分、改变晶体普筛条件等多种方法，目前获得了AHR-ARNT二聚体结合不同配体后与DNA的复合物晶体，但晶体较小，分辨率低，尚未获得AHR与各种配体结合的精细结构信息。后续一方面继续优化现有晶体，另一方面筛选AHR-ARNT新蛋白组合与不同配体的晶体，以期获得AHR与多种配体的高分辨率结构。在研究AHR结构与功能的同时，我们也对同一转录因子家族的HIF-2α（hypoxia-inducible factor-2 alpha）进行了研究。与AHR相似，HIF-2α的转录活性也受配体调控，包括来源于肠道微生物的多种配体。利用基于蛋白-小分子互作的高通量筛选方法，我们获得了新骨架的HIF-2α拮抗剂和首个激动剂，解析了HIF-2α-ARNT二聚体与小分子配体的复合物结构，揭示了抑制剂和激动剂通过变构效应影响蛋白二聚体稳定性、双向调节转录活性的分子机制，为靶向HIF-2α设计新的抗癌（拮抗剂）和抗贫血（激动剂）药物提供了重要参考。